Глава 3 строение и свойства биосферы

Термин «биосфера» использовал в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс для обозначения оболочки Земли, населяемой живыми организмами. В 20-х гг. прошлого века в трудах В.И. Вернадского было разработано представление о биосфере как глобальной единой системе Земли, где весь основной ход геохимических и энергетических превращений определяется жизнью. В.И. Вернадский впервые создал учение о геохимической роли живых организмов, показав, что их деятельность является главным фактором преобразования земной коры. По В.И. Вернадскому: биосфера– та область нашей планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь и которая постоянно подвергается или подвергалась воздействию живых организмов. Участие каждого отдельного организма в геологической истории Земли ничтожно мало. Однако живых существ на Земле бесконечно много, они обладают высоким потенциалом размножения, активно взаимодействуют со средой обитания и, в конечном счете, представляют в своей совокупности особый, глобальных масштабов фактор, преобразующий верхние оболочки Земли. Биосферу рассматривают как наиболее крупную экосистему планеты, поддерживающую глобальный круговорот веществ. Современная жизнь распространена в верхней части земной коры (литосфере), в нижних слоях воздушной оболочки Земли (атмосфере) и в водной оболочке Земли (гидросфере). Биосферу как место современного обитания организмов вместе с самими организмами можно разделить на три подсферы: геобиосфера – верхняя часть литосферы, насе­ленная геобионтами; гидробиосфера – гидросфера без подзем­ных вод, населенная гидробионтами; аэробиосфера – нижняя часть атмосферы, населенная аэробионтами. В глубь Земли живые организмы проникают на небольшое расстояние. В литосфере жизнь ограничивает прежде всего температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глубиной и на уровне 1,5–15 км уже превышает 100˚С. В нефтяных месторождениях на глубине 2–2,5 км бактерии регистрируются в значительном количестве. В океане жизнь распространена на всех глубинах и встречается на дне океанических впадин в 10–11 км и температурой около 0˚С. Верхняя граница жизни в атмосфере определяется нарастанием ультрафиолетовой радиации. На высоте 25–27 км большую часть ультрафиолетового излучения Солнца поглощает находящийся здесь озон. Все живое, поднимающееся выше защитного слоя озона, погибает. Основная часть жизни в атмосфере сосредоточена в слое до 1–1,5 км. В горах граница распространения наземной жизни около 6 км над уровнем моря.

Вещество биосферы

В.И. Вернадский рассматривал биосферу как область жиз­ни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил в биосфере семь разных, но геологически взаимо­связанных типов веществ. По В.И. Вернадскому, в состав био­сферы входят следующие типы веществ.

1.Живое вещество – живые организмы, населяющие нашу планету (масса живого вещества составляет лишь 0,01% от массы всей биосферы).

2.Косное вещество – неживые тела, образующиеся в ре­зультате процессов, не связанных с деятельностью живых орга­низмов (породы магматического и метаморфического проис­хождения, некоторые осадочные породы).

3.Биогенное вещество – неживые тела, образующиеся в результате деятельности живых организмов (некоторые оса­дочные породы: известняки, мел и др., а также нефть, газ, каменный уголь, кислород атмосферы и др.).

4.Биокосное вещество – биокосные тела, представляющие собой результат совместной деятельности живых организмов и геологических процессов (почвы, илы, кора выветривания и др.).

5.Радиоактивное вещество – атомы радиоактивных элемен­тов – уран (²³⁸U и ²³⁵U), торий (²³²Th), радий (²²⁶Ra) и радон (²²²Rn и ²²⁰Rn), калий (⁴⁰K), рубидий (⁸⁷Rb), кальций (⁴⁸Са), углерод (¹⁴С) и др.

6.Рассеянные атомы – отдельные атомы элементов, встре­чающиеся в природе в рассеянном состоянии (в таком состо­янии часто существуют атомы микро- и ультрамикроэлемен­тов: Mn, Со, Zn, Сu, Аu, Hg и др.)

7.Вещество космического происхождения – вещество, по­ступающее на поверхность Земли из космоса (метеориты, кос­мическая пыль).

А.В. Лапо классифицировал вещество биосферы по трем основным параметрам:

а) характер вещества: живое или нежи­вое;

б) градации по исходному материалу: образовавшееся из живого вещества – биогенное и образовавшееся из неживого вещества – абиогенное;

в) признак земного или внеземного происхождения.

На поверхности Земли в настоящее время полностью лише­ны живых существ лишь области обширных оледенений и кра­теры действующих вулканов. В. И. Вернадский указывал на «всюдность» жизни в биосфере. Об этом свидетельствует исто­рия нашей планеты. Жизнь появилась локально в водоемах и затем распространялась все шире и шире, заняв все материки. Постепенно она захватила всю биосферу, и захват этот, по мне­нию В. И. Вернадского, еще не закончился. Об этих потенци­альных возможностях свидетельствуют масштабы приспособ­ляемости живых организмов. Крайние пределы температур, которые выносят некоторые формы жизни (в латентном состоянии), – от практически абсо­лютного нуля до +180 °С. Давление, при котором существует жизнь, – от долей атмосферы на большой высоте до тысячи и более атмосфер на больших глубинах. Для ряда бактерий верх­ние критические точки давления лежат в области 12–108 Па (12 тыс. атм.). С другой стороны, семена и споры растений, мел­кие животные в анабиозе сохраняют жизнеспособность в пол­ном вакууме. Живые организмы могут существовать в широком диапазоне химических условий среды. Первые живые существа Земли жи­ли в бескислородной атмосфере. Анаэробный обмен свойствен и многим современным организмам, в том числе многоклеточным. Уксусные угрицы (нематоды) обитают в чанах с бродящим уксусом. Ряд микроорганизмов живет в концентрированных растворах солей, в том числе медного купороса, фторида нат­рия, в насыщенном растворе поваренной соли. Серные бакте­рии выдерживают децимолярные растворы серной кислоты. Некоторые особо устойчивые формы могут существовать да­же при действии ионизирующей радиации. Например, ряд ин­фузорий выдерживает излучение, по дозе в 3 млн. раз превы­шающее естественный радиоактивный фон на поверхности Земли, а некоторые бактерии обнаружены даже в котлах ядер­ных реакторов. Выносливость жизни в целом к отдельным факторам среды шире диапазонов тех условий, которые существуют в современ­ной биосфере. Жизнь, таким образом, обладает значительным «запасом прочности», устойчивости к воздействию среды и по­тенциальной способностью к еще большему распространению. Наряду с этим распределение жизни в биосфере отличается крайней неравномерностью. Она слабо развита в пустынях, тунд­рах, глубинах океана, высоко в горах, тогда как в других участ­ках биосферы чрезвычайно обильна и разнообразна. Наиболее высока концентрация живого вещества на границах раздела ос­новных сред – в почве, т. е. пограничном слое между литосфе­рой и атмосферой, в поверхностных слоях океана, на дне водое­мов и, особенно, на литорали, в лиманах и эстуариях рек, где все три среды – почва, вода и воздух – близко соседствуют друг с другом. Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В. И. Вернадский назвал «пленками жизни».

В настоящее время по видовому составу на Земле преобла­дают животные (более 2 млн. видов) над растениями (0,5 млн.). В то же время запасы фитомассы составляют 99% запасов жи­вой биомассы Земли. Биомасса суши в 1000 раз превышает био­массу океана. На суше биомасса и количество видов организмов в целом увеличиваются от полюсов к экватору. К основным уникальным особенностям живого вещества, обусловливающим его крайне высокую преобразующую дея­тельность, можно отнести следующие (по Н.А. Воронкову, 1997).

1.Способность быстро занимать (осваивать) все свободное пространство.

В.И. Вернадский назвал это всюдностью жизни. Данное свойство дало основание В.И. Вернадскому сделать вывод, что для определенных геологических периодов количество живого вещества было примерно постоянным (константой). Способность быстрого освоения пространства связана как с интенсивным размножением (некоторые простейшие формы организмов могли бы освоить весь земной шар за не­сколько часов или дней, если бы не было факторов, сдерживающих их потенциальные возможности размножения), так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверх­ность своего тела или образуемых ими сообществ. Например, площадь листьев растений, произрастающих на 1 га, составляет 8–10 га и более. То же относится к корневым системам.

2.Движение не только пассивное, но и активное, то есть не только под действием силы тяжести, гравитационных сил и т.п., но и против течения воды, силы тяжести, движения воз­душных потоков и т.п.

3.Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смер­ти (включение в круговороты веществ).

Благодаря саморегу­ляции живые организмы способны поддерживать постоянный химический состав и условия внутренней среды, несмотря на значительные изменения условий внешней среды. После смерти эта способность утрачивается, а органические остатки очень быстро разрушаются. Образовавшиеся органические и неор­ганические вещества включаются в круговороты.

4.Высокая приспособительная способность (адаптация) к раз­личным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной), но и крайне трудных по физико-химическим па­раметрам условий. Например, некоторые организмы перено­сят температуры, близкие к значениям абсолютного нуля – 273° С, микроорганизмы встречаются в термальных источни­ках с температурами до 140 °С, в водах атомных реакторов, в бескислородной среде, в ледовых панцирях и т.п.

5.Феноменально высокая скорость протекания реакций.

Она на несколько порядков значительнее, чем в неживом веществе. Об этом свойстве можно судить по скорости переработки ве­щества организмами в процессе жизнедеятельности. Например, гусеницы некоторых насекомых потребляют за день количе­ство пищи, которое в 100–200 раз больше веса их тела. Дожде­вые черви (масса их тел примерно в 10 раз больше биомассы всего человечества) за 150–200 лет пропускают через свои орга­низмы весь однометровый слой почвы. По представлениям В.И. Вернадского, практически все осадочные породы, а это слой до 3 км, на 95–99% переработаны живыми организмами.

6.Высокая скорость обновления живого вещества.

Подсчи­тано, что в среднем для биосферы она составляет 8 лет, при этом для суши – 14 лет, а для океана, где преобладают орга­низмы с коротким периодом жизни (например, планктон), – 33 дня. В результате высокой скорости обновления живого веще­ства за всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз пре­вышает массу Земли. Только небольшая часть его (доли про­цента) законсервирована в виде органических остатков (по вы­ражению В.И. Вернадского, ушла в геологию), остальная же включилась в процессы круговорота. Все перечисленные и другие свойства живого вещества обус­ловливаютсяконцентрацией в нем больших запасов энергии. По В.И. Вернадскому, по энергетической насыщенности с жи­вым веществом может соперничать только лава, образующая­ся при извержении вулканов.

https://studopedia.ru/3_29396_svoystva-zhivogo-veshchestva.html

Живое вещество обеспечивает биогеохимический кругово­рот веществ и превращение энергии в биосфере. Выделяют сле­дующие основные геохимические функции живого вещества:

1. Энергетическая (биохимическая) – связывание и запаса­ние солнечной энергии в органическом веществе и последую­щее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества. Эта функция связана с питанием, дыханием, размножением и другими процессами жизнедея­тельности организмов.

2. Газовая – способность живых организмов изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. С газовой функцией связывают два переломных периода (точки) в развитии биосферы. Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в ат­мосфере достигло примерно 1% от современного уровня (пер­вая точка Пастера). Это обусловило появление первых аэроб­ных организмов (способных жить только в среде, содержащей кислород). С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Это произош­ло примерно 1,2 млрд. лет назад. Второй переломный период связывают со временем, когда концентрация кислорода дос­тигла примерно 10% от современной (вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образования озонового слоя в верхних слоях атмосферы, что обусловило воз­можность освоения организмами суши (до этого функцию за­щиты организмов от губительных космических излучений вы­полняла вода).

3. Концентрационная – «захват» из окружающей среды жи­выми организмами и накопление в них атомов биогенных хи­мических элементов. Концентрационная способность живого вещества повышает содержание атомов химических элементов в организмах по сравнению с окружающей средой на несколь­ко порядков. Содержание углерода в растениях в 200 раз, а азо­та в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Содержание марганца в некоторых бактериях может быть в миллионы раз больше, чем в окружающей среде. Результат концентрацион­ной деятельности живого вещества – образование залежей го­рючих ископаемых, известняков, рудных месторождений и т.п.

4. Окислительно-восстановительная – окисление и восста­новление различных веществ с участием живых организмов. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миг­рация атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, S, Р, N и др.), создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование серо­водорода и т.п.

5. Деструктивная – разрушение организмами и продукта­ми их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти, как остатков органического вещества, так и косных веществ. Наи­более существенную роль в этом отношении выполняют реду­центы (деструкторы) – сапротрофные грибы и бактерии.

6. Транспортная – перенос вещества и энергии в результа­те активной формы движения организмов. Такой перенос мо­жет осуществляться на огромные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения).

7. Средообразующая – преобразование физико-химических параметров среды. Эта функция является в значительной мере интегральной – представляет собой результат совместного дей­ствия других функций. Она имеет разные масштабы проявле­ния. Результатом средообразующей функции является и вся биосфера, и почва как одна из сред обитания, и более локаль­ные структуры.

8. Рассеивающая – функция, противоположная концентра­ционной – рассеивание веществ в окружающей среде. Она проявляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов и т.п. Железо ге­моглобина крови рассеивается кровососущими насекомыми.

9. Информационная – накопление живыми организмами оп­ределенной информации, закрепление ее в наследственных структурах и передача последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.

10. Биогеохимическая деятельность человека – превраще­ние и перемещение веществ биосферы в результате человече­ской деятельности для хозяйственных и бытовых нужд чело­века. Например, использование концентраторов углерода – нефти, угля, газа и др. Таким образом, биосфера представляет собой сложную ди­намическую систему, осуществляющую улавливание, накоп­ление и перенос энергии путем обмена веществ между живым веществом и окружающей средой.

https://studopedia.ru/3_29397_funktsii-zhivogo-veshchestva.html

Целостность и дискретность.

Целостность биосферы обус­ловлена тесной взаимосвязью слагающих ее компонентов. Она достигается круговоротом вещества и энергии. Изменение од­ного компонента неизбежно приводит к изменению других и биосферы в целом. При этом биосфера – не механическая сумма компонентов, а качественно новое образование, обла­дающее своими особенностями и развивающееся как единое целое. Биосфера – система с прямыми и обратными (поло­жительными и отрицательными) связями, которые, в конечном счете, обеспечивают механизмы ее функционирования иустойчивости. На понимании целостности биосферы основы­ваются теория и практика рационального природопользова­ния. Учет этой закономерности позволяет предвидеть возмож­ные изменения в природе, дать прогноз результатам воздействия человека на природу.

Централизованность.

Центральным звеном биосферы выс­тупают живые организмы (живое вещество). Это свойство, к сожалению, часто недооценивается человеком и в центр био­сферы ставится только один вид – человек (идеи антропоцен­тризма).